生物傳感器的研發及其在發酵工業中的應用(綜述)
生物傳感器的研發及其在發酵工業中的應用(綜述)
馮德榮 朱思榮 周萬里 馮東 黃加棟 畢春元
一、生物傳感器研究和開發歷史
生物傳感器研究和開發的目的是向社會提供采用生物傳感器原理的新儀器和分析方法，它們可以廣泛地應用于安全預警、臨床診斷監護、食品分析、工業控制和環境狀態的監測。
20多年來，我們研制開發了一系列可以實用的生物傳感器和分析儀器(圖1-5)。這些生物傳感器分析儀代表了不同時期生物傳感器研究開發的歷史。
八十年代是我國生物傳感器研究開發的起步階段，我們與中科院北微所、病毒所、生化所、電子所等單位同步，曾先后研究開發了幾種生物傳感器，它們作為實驗室的成果都還面臨實踐中應用的困境。SBA-30型乳酸分析儀的開發成功(圖1) 是我們在生物傳感器實用化上取得突破性進展的標志，它成為我國九十年代耐力競技體育訓練的主要科學儀器之一。我們主要解決了以下三個技術難題：①研制成功生物傳感器配套的試劑盒，其中生物材料用固定化技術制成酶膜，既能長時期反復運行，還可以貯存和運送。②研制了過氧化氫型電極，能高度穩定地保持基礎電流輸出；③解決了生物傳感分析儀的自動清冼，采樣的簡易控制。這些技術難題的解決，為生物傳感器技術傳播創造了良好的技術基礎。
九十年代是我國生物傳感器應用取得較大發展的十年，以SBA-40型和50型生物傳感分析儀(圖2、3) 為代表，儀器集成了許多智能化操作程序，其主程序可方便地滿足了多種自動測定。谷氨酸傳感器的研制成功并進入實用是國際首創，它與葡萄糖、乳酸傳感器一起成龍配套地監測控制發酵罐內的物質成分的變化，實現分析150萬次/年。我們還研制成多酶協同作用的復合酶膜生物傳感器，通過自動測定程序實現了糖化酶活性的快速自動測量，應用雙電極-差分的方法獲得原先難于分析的生化樣品測定，包括尿素、谷氨酰胺、淀粉、蔗糖、乳糖、麥芽糖等。在九十年代中，生物傳感分析儀品種得到更新換代，還建立了相關的國家標準。
進入新世紀以來，我們在生物傳感分析儀的醫用、自動、精密分析繼續研發，獲得幾項新的研究成果。研制了生物傳感在線分析系統(圖4)和醫用的生物傳感自動分析儀(圖5)。
實驗室研發的生物傳感器得到市場和政府的認可，1999年研究室被正式命名為山東省生物傳感器重點實驗室，為生物傳感器的創新研究和持續地為社會服務提供了基地。
二、生物傳感器和發酵生產
在微生物發酵過程中，檢測多種有關的生化參數（生物量/細胞活性、底物/營養、產物/ 代謝物）, 是生物技術領域研究者和工程師們有效地對過程進行控制的必要前提。生物傳感器類分析儀器得到普及應用改變了我國在發酵控制新分析儀器方面的落后面貌。與國外同類儀器比較，我們研發的生物傳感器分析儀具有方便、快速、精確、容易操作、價格低廉、維修及時等優點。
生物傳感器在發酵工業上的應用：
1、發酵中葡萄糖測定，過去用操作繁瑣時間長的還原糖方法只能近似地估計葡萄糖的變化?，F在提供了快速而準確的固定化酶的測定方法，發酵中可根據糖消耗確定微生物的生長速率，觀察是否染菌，隨時與產物的產生一起估算轉化率，確定補料效果和及時判斷發酵結束的時間。發酵過程或設備異常現象通過葡萄糖分析得到及時預報。
2、谷氨酸發酵中，隨時跟蹤目標產物的產生。分析時間縮短了幾十倍。
3、乳酸測定是生物傳感器出現后新增加的控制參數。實踐中發現它的控制是獲得發酵高產的關鍵。乳酸是需氧發酵產物轉化過程中的中間產物，是過程控制的敏感參數，與生物素的加入量、補糖、活菌數、菌活力、空氣補給等控制直接相關。發酵旺盛期，乳酸必然產生，適度的乳酸濃度是高產罐的重要指示。此時單純地通過通風是達不到乳酸下降的目的，反而引起能源的浪費及減產。發酵后期、放罐前應控制乳酸下降，才能達到高產。
4、監控離交回收谷氨酸或濃縮物的濃度：谷氨酸傳感器可測出0.1%的谷氨酸濃度變化，而瓦氏法不可能達到這樣的精確度。過去離子交換單用pH躍變點來控制回收會造成谷氨酸的大量流失。使用谷氨酸傳感器可以使離交回收率提高30- 50%。(圖6)
5、監控淀粉糖的水解，葡萄糖與還原糖的比值可衡量糖質量。發酵中糖液質量是至關重要的，糖化不好時不僅浪費了糧食而且會造成發酵中泡沫增多，通氣不良，乳酸增高；對后提取也帶來很多麻煩；并將增加污水排放的BOD量。
6、糖化酶活力的快速測定，正確控制糖水解時的加酶量，提高糖液的質量。
7、木糖醇產品純度檢驗中可檢測殘留不到1%的葡萄糖量，在99%以上的木糖醇產品中方便地檢測葡萄糖的含量。使產品符合出口要求。
8、環境保護中高效過濾設備的過濾效果快速檢測。
9、在線過程分析系統。至今在占我國新型發酵60%以上產值的谷氨酸發酵中還沒有實質性地應用好自動控制系統，生物傳感在線分析可能是這一領域技術改造和進步的標志。
三、生物傳感器的發展
21世紀將是生物經濟時代，其表現是生物技術與信息技術的融合，生物工藝過程的數字化。生物傳感器是極具有發展潛力的學科領域，作為知識經濟的新增長點，它將促進生物技術產業和常規生物產業的發展，可以為許多經濟領域的過程中提供控制上的不可缺少的信息、新的快速分析方法、新的生物儀器設備的來源。生命科學中遇到的問題，絕大多數是非常復雜的體系，而其中的重要物質又往往是痕量成分。在未來生化武器的偵查中，化學傳感器與生物傳感器都將是重要的偵查工具。生物傳感器正在向微型化、集成化方向發展，手掌型測試儀生物傳感器已得到快速發展。生物傳感器與納米技術信息技術、微電子技術的交叉，將孕育出更多、更新的新型的生物傳感器。國家"十五"863中除傳統的生物技術領域外，在新材料、微電子MEMS系統、環境生態資源等研究領域中的課題招標中都列入新型生物傳感器項目。生物醫用納米傳感器正成為新的研究熱點。
參 考 文 獻
1. Feng Derong, Biosensors and their application in the People's Republic of China. Advances In Biosensors, Vol 4.JAI Press INC., 1999.289～313
2. 馮德榮.生物傳感器的研究現狀和發展方向.山東科學，1999，12（4）：1～6
3. 馮德榮，尚雪芹等 適用于發酵生產過程的SBA－４０型谷氨酸－葡萄糖雙功能分析儀的研制食品與發酵工業，1993（4）：33～37
4. 馮德榮，朱思榮等 SBA-60型四電極生物傳感分析系統的研制山東科學，1998，11（2）：45～49
